Защо TSN технологията е бъдещето на индустриалната автоматизация

Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8/2022 > 30.11.2022

  • Времечувствителните мрежи, базирани на концепцията “Time-sensitive networks” (TSN), задават изцяло нова посока в развитието на индустриалната Ethernet комуникация

  • Възприемането на TSN технологията от редица глобални производители в сегмента вече е факт, а налагането й като водещ стандарт в бранша е само въпрос на време, убедени са експертите

  • Глобалният пазар на TSN базирани технологии се очаква да нараства експоненциално с комбиниран годишен темп на растеж от близо 50%, достигайки впечатляващите 2,5 млрд. щатски долара през 2028 г.

 

Времечувствителните мрежи, базирани на технологията “Time-sensitive networks” (TSN), задават изцяло нова посока в развитието на индустриалната Ethernet комуникация чрез конвергенция, прозрачност на процесите и високоефективен пренос на данни в реално време. Те полагат основите на управляваните от данни хиперсвързани умни фабрики на бъдещето и представляват нещо много повече от просто решение на ниво продукт. TSN е иновативна технология, която предлага базиран на детерминизъм систематичен подход към модернизиране на промишлената автоматизация. Възприемането й от редица глобални производители в сегмента вече е факт, а налагането й като водещ стандарт в бранша е само въпрос на време, убедени са пазарните анализатори. Актуален доклад на Verified Market Research сочи, че глобалният пазар на TSN базирани технологии е бил в размер на 107,4 млн. щатски долара през 2020 г. На база темповете на развитие и внедряване на концепцията маркетолозите прогнозират че през следващите пет години този пазар ще нараства експоненциално с комбиниран годишен темп на растеж от близо 50%, достигайки впечатляващите 2,5 млрд. долара през 2028 г.

 

TSN и Industry 4.0

Интелигентните заводи в бъдеще ще разчитат на една-единствена конвергентна мрежа, прогнозират експертите. Това ще улесни достъпа им до необходимите данни чрез вертикални и хоризонтални комуникации с цел споделяне на ценни бизнес изводи на ниво предприятие. Придобитите и приложени в практиката нови знания закономерно ще подобрят производителността и базовата конкурентоспособност на компаниите в дългосрочен план. Опростявайки архитектурите на унифицираните индустриални комуникации, единните конвергентни мрежи вероятно също ще могат да се възползват от по-прости топологии и мероприятия във връзка с поддръжката, същевременно намалявайки разходите.

Интелигентните заводи с визия за бъдещето залагат на т. нар. “data-driven” операции (управлявани от данни), допълват анализаторите. Усъвършенстваните индустриални мрежи, в които е интегрирана TSN технологията, са предпоставка именно за такъв тип операции, както и за високоскоростни и надеждни комуникации за Industry 4.0 приложения. Други характеристики на такива предприятия са високата гъвкавост и производителност и адекватните реакции към случващите се събития в реално време благодарение на данните, които дават ясна и пълна представа за случващото се в цеховете. Информационната обезпеченост позволява изграждане на високоавтоматизирани процеси, които оптимизират ефективността. “Гръбнаците” на тези системи са именно техните комуникационни мрежи, които свързват всяко полево устройство, модул или машина в единна екосистема за обмен на данни. За да поддържат Industry 4.0 функции, съвременните индустриални инфраструктури трябва да могат да гарантират, че големите обеми генерирани данни се предават към останалите точки на мрежата надеждно и навременно. Преходът към скорости на трансфер от гигабитовия обхват е важна стъпка в тази посока.

 

Концепцията за детерминизъм

Най-отчетливата характеристика на времечувствителните мрежи е способността им да трансформират стандартни Industrial Ethernet архитектури в комуникационни системи, функциониращи в реално време, с минимални смущения и времезакъснения (латентност). Така TSN концепцията осигурява базова мрежова технология, която да поддържа най-актуалните управлявани от данни производствени решения и приложения.

Според специалистите TSN технологията ще превърне индустриалния Ethernet в архитектура с детерминистичен дизайн и ще положи основата за конвергентните мрежи, необходими за осигуряване на бъдещето на съвременната промишлена автоматизация. В контекста на Ethernet понятието детерминистична комуникация кореспондира със способността на мрежата да гарантира, че дадено събитие ще се случи (или съобщение ще бъде предадено) в определен, предвидим период от време — не по-бързо или по-бавно. Времечувствителните мрежи вече са официално дефинирани в спецификациите на работната група IEEE 802.1, част от структурата на Института на инженерите по електротехника и електроника (IEEE). Комитетът се занимава с разработката на стандарти от фамилията IEEE 802, обхващащи протоколи като Ethernet, Wireless LAN и др. Това създава база за широка стандартизация в сферата на TSN технологиите и дефиниране на единно, унифицирано решение. Използвайки го, всеки потребител ще може да разчита на високонадеждна и адекватно реагираща в реално време мрежа, която поддържа взаимосвързаност независимо от доставчика на оборудването. Така се гарантират отворени комуникации и универсална оперативна съвместимост на средства за автоматизация от различни производители, необходими за гъвкавото свободно изграждане на архитектури за фабриките на бъдещето.

 

Предизвикателства и възможности

Съществено предизвикателство по пътя към повсеместното възприемане на TSN мрежите в сферата на промишлената автоматизация е необходимостта от колаборация между отделните производители на решения в сегмента, тъй като критичен елемент на мрежовите комуникации в реално време е именно оперативната съвместимост. Пазарните анализатори считат, че е необходим известен период за формиране на устойчиви нагласи за съвместна работа между водещите доставчици, за да бъдат разработени достатъчно гъвкави и широки системни решения, позволяващи безпроблемна миграция между технологиите. В такава рамка действащите стандарти на водещи партньорски организации като CC-Link Partner Association (CLPA) успешно задават посоките на развитие, допълват експертите. В контекста на времечувствителните мрежи вече успешно са разработени разширения за стандартни Ethernet топологии в съответствие с изискванията на IEEE 802.1, които надскачат доскорошните ограничения пред технологията. Вече е налице стандартизиран Слой 2 в седемслойния модел на ISO с възходяща съвместимост с предишни Ethernet решения и отчетливи възможности за комуникация в реално време. В стандарта P802.1AS-Rev – “Тайминг и синхронизация на времечувствителни приложения” е дефиниран единен и базиран на универсална оперативна съвместимост метод за синхронизиране на разпределени часовници в мрежата. Тъй като в концепцията за TSN надеждността на комуникацията винаги е водещ приоритет, вече е възможно имплементирането на същински “real-time” приложения в рамките на стандартни кабелни архитектури, а също и на сървърни и SSH приложения. В това отношение TSN значително се доближава до протокола PROFINET IRT, като в допълнение предлага и сравнима производителност. Новост при TSN технологията е необходимостта от разширена мрежова конфигурация. Налице са възможности за изграждане както на централизирани, така и на децентрализирани системи, а оперативната съвместимост между двата механизма е една от целите, заложени в бъдещето технологично развитие на концепцията.

 

Предимства на времечувствителните приложения

Колкото по-голям е пазарът на комуникационни технологии, толкова по-достъпни в ценови план мрежови интерфейси се появяват, поясняват анализаторите. Не е далеч моментът, в който TSN концепцията ще намери своето устойчиво място и в сградната автоматизация, както и във все по-взискателни индустриални отрасли като автомобилостроенето.

Сред най-сериозните технически предимства на времечувствителната мрежова комуникация в сравнение с конвенционалния индустриален Ethernet е мащабируемостта, подчертават експертите. За разлика от съвременните мрежи TSN технологията не е дефинирана за специфични скорости на пренос. Тя може да бъде приложена еднакво ефективно както при 100 Mbps, така и при 1 Gbps на базата на унифицирания Слой 2 IEEE802.1/TSN.

Хомогенната мрежова инфраструктура има и други съществени предимства. Тя значително подпомага служителите и екипите, ангажирани с изграждане и поддръжка на мрежите, а концепцията позволява драстично разширяване на приложната област на TSN комуникациите от полето на индустриалната към сградната, процесната и заводската автоматизация, електроразпределението и т. н. Това ни отвежда към следващия плюс на времечувстителните мрежи – те вече са тема на множество обучителни програми както на ниво висше, така все по-масово и на ниво средно техническо образование. TSN технологията постепенно се превръща в базов стандарт за следващото поколение висококвалифицирани инженери и технически специалисти, които предстои да зададат посоките на по-нататъшно развитие на индустриалната автоматизация.

На този етап възниква един логичен въпрос – какво ще се случи в бъдеще с популярните мрежови протоколи, които днес са от критично значение за индустриалните комуникации. Във всички работни групи, ангажирани с разработката на стандарти в сферата на времечувствителните приложения, се дискутира още една ключова тема – как да се подсигури безпроблемният преход към TSN технологията и да се гарантира приложимостта й в съществуващите инсталации. Акцент се поставя върху необходимостта от това процесът да се случи плавно, а потребителите да имат достатъчно широк времеви прозорец да мигрират решенията си към TSN. Експертите уверяват, че съвременните индустриални Ethernet протоколи няма да изчезнат за една нощ и предприятията могат да бъдат спокойни, че още дълго ще имат възможността да управляват мрежовите си приложения с помощта на PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT и други популярни интерфейсни технологии, да получават адекватна поддръжка, а също и резервни компоненти.

Основен фокус на водещите партньорски организации в сферата на Industrial Ethernet мрежите към момента е дефинирането на работещи модели за безпроблемна колаборация между съществуващи производствени системи и TSN базирани продукти. Интерфейсната връзка между наличните архитектури и новоприсъединените устройства може да бъде осъществена посредством гейтуей (при Sercos мрежи), чрез съединител (при EtherCAT), както и без необходимост от специален хардуер (PROFINET RT).


Вижте още от Автоматизация


Ключови думи: TSN технология, TSN, времечувствителни мрежи, времечувствителни приложения, индустриална автоматизация, индустриални комуникации, Ethernet, Industrial Ethernet



Редактор на статията:

Пепа Петрунова

Пепа Петрунова

Редактор

  • Завършва специалност "Журналистикa" в СУ "Св. Климент Охридски";
  • Заема длъжността редактор "Списания" от 2013 г.;
  • Разполага с над 15 години опит в разработването на оперативни материали и технически статии в широк кръг от области (индустриална автоматизация, роботика, машини, механични системи и др.).

Пепа Петрунова в LinkedIn

Top